新教材2021-2022学年鲁科版化学必修第一册学案：第3章 第3节 基础课时19　硝酸　人类活动对氮循环和环境的影响

www.ks5u.com基础课时19　硝酸　人类活动对氮循环和环境的影响

一、硝酸的性质

1．实验探究硝酸的性质

2．物理性质

3．化学性质

(1)酸的通性：

电离方程式为HNO3===H＋＋NO。硝酸能使酸碱指示剂发生颜色变化，能与金属、碱、碱性氧化物等反应。

(2)不稳定性：

浓硝酸受热或见光分解，化学方程式为4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O。

(3)强氧化性：

4．用途

硝酸是一种重要的化工原料，可用于制造炸药、染料、塑料和硝酸盐等。在实验室里，硝酸是一种重要的化学试剂。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)浓硝酸易挥发，因此打开浓硝酸的瓶口会出现大量白雾 (　　)

(2)常温下，将铝片放入浓硝酸，无明显现象，是因为铝和浓硝酸不反应 (　　)

(3)实验室可以用铜和稀硝酸制备少量的NO气体 (　　)

(4)浓硝酸氧化性很强，常温下就可以和碳发生反应 (　　)

[答案]　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×

　某同学在实验室取出一瓶浓硝酸，发现溶液显黄色，与教材中关于浓硝酸的描述出现偏差。

(1)你能帮助该同学解释一下原因吗？应该如何避免这种情况的发生？

[提示]　浓硝酸不稳定，见光或受热会分解成NO2，NO2溶于浓硝酸使溶液显黄色；浓硝酸应该保存在棕色试剂瓶中，并放在阴凉处。

(2)你能帮助该同学去除浓硝酸的黄色吗？

[提示]　向浓硝酸中通入氧气(或空气)，发生反应4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，消除黄色。

二、人类活动对氮循环和环境的影响

1．含氮物质的来源及危害

2．减少人体活动对氮循环和环境影响的措施

(1)控制进入大气、土壤和水体中含有氮元素的物质的量。

(2)增强生态系统对含有氮元素的物质的吸收能力。

　光化学烟雾是汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)等一次污染物在阳光(紫外光)作用下发生光化学反应生成二次污染物所形成的烟雾污染现象，是碳氢化合物在紫外线作用下生成的有害浅蓝色烟雾。

光化学烟雾有什么危害？

[提示]　人和动物受到的主要伤害是眼睛和黏膜受刺激、头痛、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺功能异常等。

通过以下实验分析硝酸的氧化性，并完成相关问题。

[问题1]　金属活动性顺序表中排在氢元素前的金属与酸反应一定产生氢气吗？金属活动性顺序表中排在氢元素后的金属与酸一定不反应吗？

[提示]　均不一定。如Fe与HNO3反应不产生氢气，Cu与浓、稀硝酸均可以反应。

[问题2]　Fe、Al在常温下不能溶于浓硝酸中，是因为Fe、Al不能与浓硝酸发生反应吗？

[提示]　不是。Fe、Al等金属跟浓硝酸在常温下发生钝化现象，因而不能溶解，但是钝化不代表不反应，而是在浓硝酸的作用下Fe、Al表面形成了一层致密的氧化膜，阻止了反应的进一步发生，但在加热条件下可以剧烈反应。

[问题3]　Fe与稀硝酸反应时的产物与二者的用量有何关系？

[提示]　硝酸过量：Fe＋4H＋＋NO===Fe3＋＋NO↑＋2H2O；铁过量：3Fe＋8H＋＋2NO===3Fe2＋＋2NO↑＋4H2O。

[问题4]　金属与硝酸的反应中，硝酸起什么作用？分别是如何体现的？

[提示]　①强氧化性：HNO3中＋5价的氮元素有很强的得电子能力。例如将Fe氧化为高价态的Fe3＋。

②酸性：生成了盐类物质。例如Fe(NO3)3、Al(NO3)3。

1．浓硝酸

(1)与金属单质反应。浓硝酸与金属反应生成的气体主要是NO2。

①与不活泼金属单质：

2HNO3(浓)＋Ag===AgNO3＋NO2↑＋H2O

4HNO3(浓)＋Cu===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O

②铁和铝常温下遇浓硝酸钝化，钝化是化学变化。

(2)与非金属单质反应。浓硝酸在加热条件下能与非金属单质反应，本身被还原为NO2，非金属单质一般被氧化成氧化物或酸。

C＋4HNO3(浓)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O

S＋6HNO3(浓)H2SO4＋6NO2↑＋2H2O

2．稀硝酸

稀硝酸常温下与绝大多数金属单质反应生成的气体主要是NO，不产生氢气。

(1)稀硝酸与铜反应

8HNO3(稀)＋3Cu===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O

(2)稀硝酸与铁反应

1硝酸与金属反应时，一般既表现强氧化性，又表现酸性，参加反应的硝酸部分被还原，还有一部分仍以NO形式存在。2浓硝酸与金属反应的过程中，浓度逐渐减小，还原产物有可能是NO和NO2的混合物，最终溶液中仍有NO。

1．下列说法中，正确的是(　　)

A．碳与浓硝酸反应时，浓硝酸既表现氧化性又表现酸性

B．在0.1 mol·L－1的盐酸中，K＋、Fe2＋、SO、NO能大量共存

C．56 g Fe与硝酸发生氧化还原反应时，Fe转移的电子是3 mol

D．室温下，可用铝槽车贮存或运输浓硝酸

D　[碳与浓硝酸反应时生成CO2、NO2和H2O，HNO3全部被还原为NO2，则浓硝酸只表现氧化性，A错误；在0.1 mol·L－1盐酸中存在大量H＋，在H＋存在下，Fe2＋与NO因能发生氧化还原反应而不能大量共存，B错误；因Fe与硝酸反应的相对物质的量不知道，Fe是否完全反应或反应后是生成Fe2＋还是生成Fe3＋都无法确定，故Fe转移的电子数也无法确定，C错误。]

2．已知某四种单质分别与浓硝酸混合出现的情况依次是①反应生成相应的硝酸盐；②反应生成最高价含氧酸；③发生钝化；④不发生反应。则符合上述情况的单质可能是(　　)

A．Cu、Si、Zn、Au　 B．Ag、P、Al、Pt

C．Fe、C、Sb、Hg   D．Cu、S、Fe、Pb

B　[浓硝酸在常温下使铁、铝钝化，故A、C项不正确；浓硝酸能与绝大多数金属反应，但不能与Au、Pt反应，故D项不正确。]

3．在浓硝酸中放入足量铜片，试回答下列问题：

(1)反应开始时的化学方程式为________________________________，

实验现象为____________________________________________。

(2)反应将要结束时的化学方程式为___________________________。

(3)待反应停止后，再加入少量25%的稀硫酸，这时铜片上又有气泡产生，其原因是____________________________________________________。

[解析]　(1)反应开始时，铜与浓硝酸反应。(2)随着反应的进行，硝酸的浓度不断减小，反应结束前实质上是铜与稀硝酸反应。(3)反应停止后再加稀硫酸，则溶液中的NO在酸性条件下，又能与过量的铜反应，相当于稀硝酸与铜反应。

[答案]　(1)Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O　溶液逐渐变蓝，有红棕色气体逸出

(2)3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O

(3)加入稀硫酸后，H＋与原溶液中的NO结合成HNO3，又能与过量的Cu反应，发生反应的化学方程式为3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O

[问题1]　铜与足量稀硝酸反应时，表现酸性的HNO3与作氧化剂的HNO3物质的量之比是多少？

[提示]　Cu与稀硝酸反应：3Cu＋8HNO3===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。当有8 mol HNO3参加反应时，有2 mol HNO3表现氧化性，6 mol HNO3表现酸性，故表现酸性的HNO3与作氧化剂的HNO3物质的量之比为3∶1。

[问题2]　m g Cu与足量的一定浓度的硝酸充分反应，生成V L NO、NO2混合气体(标准状况下)，则参加反应的HNO3的物质的量是多少？

[提示]　被还原的硝酸无论生成NO还是NO2，均有氮原子与HNO3的物质的量相等；未被还原(起酸性作用)的硝酸等于Cu(NO3)2物质的量的2倍，故参加反应的硝酸的物质的量为 mol。

守恒法突破硝酸与金属反应的计算题

1．思维模型

2．计算中守恒思想的应用

【例题】　9.7 g Cu和Zn的合金与足量的稀硝酸反应，还原产物只有NO气体，其体积在标准状况下为2.24 L。将溶液稀释为1 L，测得溶液中的c(H＋)＝0.1 mol·L－1，此时溶液中NO的浓度为(　　)

A．0.3 mol·L－1　 B．0.4 mol·L－1

C．0.2 mol·L－1   D．0.6 mol·L－1

B　[n(NO)＝0.1 mol，转移电子的物质的量为0.1 mol×3＝0.3 mol，因1 mol Cu或Zn与硝酸反应失去2 mol电子，可知：n(Cu＋Zn)＝0.3 mol÷2＝0.15 mol，则n[Cu(NO3)2]＋n[Zn(NO3)2]＝0.15 mol，其中所含n(NO)＝0.3 mol，溶液中c(HNO3)＝c(H＋)＝0.1 mol·L－1，其中含n(NO)＝0.1 mol，溶液中NO的总浓度为＝0.4 mol·L－1。]

【变式旁通】　(1)例题中参加反应的n(HNO3)等于多少？写出计算过程。

(2)若将例题中产生的NO氧化成HNO3，需要标准状况下的O2多少升？写出计算过程。

[提示]　(1)n(HNO3)还原＝n(气体)＝0.1 mol，

n(HNO3)酸性＝2n[Cu(NO3)2]＋2n[Zn(NO3)2]＝0.3 mol，故参加反应的HNO3的物质的量为0.4 mol。

(2)据关系式：4NO～3O2知，n(O2)＝n(NO)＝0.075 mol，V(O2)＝0.075 mol×22.4 L·mol－1＝1.68 L。

1．在标准状况下将1.92 g铜粉投入一定量浓硝酸中，随着铜粉的溶解，反应生成的气体颜色逐渐变浅，当铜粉完全溶解后共收集到由NO2和NO组成的混合气体1.12 L，则混合气体中NO的体积为(　　)

A．112 mL　 B．1 008 mL

C．224 mL   D．448 mL

A　[混合气体的总物质的量为＝0.05 mol,1.92 g铜粉的物质的量为0.03 mol。设NO的物质的量为n1 mol，则NO2的物质的量为(0.05－n1) mol，根

据得失电子守恒得3n1＋(0.05－n1)×1＝0.03×2，解得n1＝0.005，V(NO)＝0.005 mol×22.4 L·mol－1＝0.112 L＝112 mL。]

2．1 L稀硝酸和稀硫酸的混合液，其物质的量浓度分别为0.1 mol·L－1和0.4 mol·L－1。若向该混合液中加入足量的铜粉，则最多能溶解铜粉的质量为(　　)

A．2.4 g   B．3.2 g

C．6.4 g   D．9.6 g

D　[据反应原理写出反应的离子方程式为

3Cu＋2NO＋8H＋===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O

0.1 mol　0.9 mol

H＋过量，根据n(NO)计算溶解铜粉的质量，m(Cu)＝＝9.6 g。]

1．下列现象的产生与人为排放大气污染物氮氧化物无关的是(　　)

A．温室效应　 B．光化学烟雾

C．酸雨   D．水体的富营养化

A　[温室效应主要来自CO2的大量排放，和氮氧化物无关。氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。水体中过量的含氮元素的物质对水体会造成污染，使水体富营养化，导致藻类“疯长”。]

2．下列有关浓硝酸的说法不正确的是(　　)

A．实验室常用浓硝酸与金属锌反应制备氢气

B．常温下浓硝酸能使金属铝钝化

C．浓硝酸不稳定，见光易分解，需要避光保存

D．浓硝酸易挥发，打开瓶塞，瓶口有白雾产生

A　[浓硝酸的氧化性很强，它跟金属发生反应，一般不生成氢气而生成二氧化氮，所以实验室中不能使用浓硝酸与金属锌反应制备氢气，A项错误；在常温下铁、铝遇浓硝酸会被氧化，在表面产生一层致密的氧化物薄膜，对内层的金属起到了保护作用，B项正确；浓硝酸不稳定，见光容易分解：4HNO44NO2↑＋O2↑＋2H2O，所以应避光保存，C项正确；浓硝酸易挥发，打开瓶塞，瓶口有白雾产生，D项正确。]

3．下列反应中硝酸既表现出酸性又表现出氧化性的是(　　)

A．使石蕊溶液变红

B．与铜反应放出NO气体并生成Cu(NO3)2

C．与Na2CO3反应放出CO2气体并生成NaNO3

D．与S单质混合共热时生成H2SO4和NO2

B　[A、C项中HNO3均只表现出酸性；在B、D项中HNO3中氮元素的化合价降低，表现出氧化性，并且在B项中又有Cu(NO3)2和水生成，说明此反应中HNO3还表现出酸性。]

4．38.4 mg铜与适量的浓硝酸反应，铜全部反应后，共收集到22.4 mL(标准状况)气体，反应消耗的HNO3物质的量可能是(　　)

A．1.0×10－3 mol   B．1.6×10－3 mol

C．2.2×10－3 mol   D．2.4×10－3 mol

C　[HNO3与Cu反应时表现酸性和氧化性，酸性：2HNO3―→Cu(NO3)2氧化性：HNO3―→NOx，二者消耗HNO3物质的量的总和即为反应消耗HNO3的物质的量。n(Cu)＝＝6×10－4 mol，则起酸性作用消耗HNO3的物质的量为1.2×10－3 mol；n(NOx)＝＝1×10－3 mol，则起氧化性作用消耗HNO3的物质的量为1×10－3 mol，二者之和为1×10－3 mol＋1.2×10－3 mol＝2.2×10－3 mol。]

5．利用装置进行铜与硝酸反应的实验。

(1)硝酸一般盛放在棕色试剂瓶中，请用化学方程式说明其原因：_______________________________________________________________。

(2)使用稀硝酸进行实验：反应开始后，铜丝逐渐变细，有气泡产生，溶液变蓝。

①铜与稀硝酸反应的离子方程式为___________________________。

②实验中观察到试管中的气体略有红棕色，其原因是

___________________________________________(用化学方程式表示)。

(3)使用浓硝酸进行实验：反应剧烈进行，铜丝逐渐变细，溶液变绿，试管上方出现红棕色气体。

①铜与浓硝酸反应的化学方程式为_______________________________

_______________________________________________________________。

②某同学推测反应后溶液呈绿色的原因是NO2在溶液中达到饱和，NO2的饱和溶液呈黄色，硝酸铜溶液呈蓝色，两者混合后呈绿色。他取少量该绿色溶液，向其中加入适量水后溶液变为蓝色，可能的原因是____________________________________________(用化学方程式表示)。

[解析]　(1)硝酸易分解，具有不稳定性，故需保存在棕色瓶中。

(2)铜与稀HNO3反应生成NO，在瓶口变为红棕色的NO2。

(3)铜与浓HNO3反应生成NO2，NO2易和水反应生成HNO3和NO。

[答案]　(1)4HNO3(浓)4NO2↑＋O2↑＋2H2O

(2)3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu＋4H2O＋2NO↑　2NO＋O2===2NO2

(3)Cu＋4HNO3===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O

3NO2＋H2O===2HNO3＋NO